一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测系统及方法技术方案

本发明专利技术属于矿山充填开采技术领域，公开了一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测系统及方法，用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测系统包括矩形木制挡板、铜栅格网、竖筋、石墨粉、尾砂、水泥、电阻夹、电阻率测试仪、中控单元和计算机，监测方法通过进路回采结束后，在回采进路中修筑矩形木制挡板，充填尾砂、水泥、石墨粉，形成自感知充填体材料，在自感知充填体材料中插入铜栅格网，待自感知充填体材料成型后，再往回采进路中充填尾砂、水泥，形成和进路一致的尾砂胶结充填体。当回采进路至下一分层时，利用电阻率测试仪监测上一分层自感知充填体材料的电阻率变化情况，由此推断出充填体顶板的稳定性状态。板的稳定性状态。板的稳定性状态。

【技术实现步骤摘要】
一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测系统及方法


[0001]本专利技术属于矿山充填开采
，尤其涉及一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测系统及方法。

技术介绍

[0002]在日益严峻的环保政策要求下，充填采矿法已发展成为矿山开采的主流方法，充填体的安全性及稳定性也愈发受到关注。当前，矿山对尾矿胶结充填体的监测手段较为匮乏，尤其是缺少简单有效的下向水平分层进路式充填采矿法的充填体顶板稳定性监测系统及方法。目前，充填体顶板稳定性的监测手段主要是通过预先在回采结束的巷道内部埋设应力计、应变计等方法实现。该类方法存在诸多问题：第一，为了进行更有效地全局监测，往往在回采巷道内部的空间位置布置不同方位的应力计、应变计等，但应力计、应变计无法单独固定埋设，必须辅助消耗大量的钢筋、铁丝网等材料，且施工过程繁琐；第二，所需应力计、应变计数量较多，方可达到监测效果，待回采巷道充填结束后，预先埋设在充填体内的应力计、应变计，往往容易因充填过程的水化热反应等导致仪器设备失效；第三，地下采场附近通常无法实现无线传输，因此数据采集必须通过有线连接方式引出，但由于采矿现场条件环境较为苛刻，所需监测仪器数量较多，采集数据线数量也随之变多，常常易发生数据线混淆、被破坏，难以保证数据传输的有效性。
[0003]在下向进路式充填采矿法中，充填体将作为上层顶板支撑，充填体顶板的稳定性状态将直接决定下方采矿作业的安全，因此，非常有必要对井下充填体的实际工作状态进行实时监测。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的充填体顶板稳定性的监测方式需要消耗大量的辅助材料，且施工过程繁琐；容易导致仪器设备失效；数据采集必须通过有线连接方式引出，易发生数据线混淆、被破坏，难以保证数据传输的有效性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测系统及方法。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法，通过进路回采结束后，在回采进路中修筑矩形木制挡板，充填尾砂、水泥、石墨粉，形成自感知充填体材料，在自感知充填体材料中插入铜栅格网，待自感知充填体材料成型后，再往回采进路中充填尾砂、水泥，形成和进路一致的尾砂胶结充填体。当回采进路至下一分层时，利用电阻率测试仪监测上一分层自感知充填体材料的电阻率变化情况。
[0007]进一步，包括：
[0008]步骤一，根据现场施工工艺确定尾砂胶结充填体的充填质量浓度与灰砂比；
[0009]步骤二，利用尾砂、水泥、石墨粉，制作自感知充填体材料试块，将试块在实验室进行养护实验，测得自感知充填体材料试块在单轴压缩破坏过程中电阻率、应力随时间变化
的数据，并将所得数据输入至中控单元中；
[0010]步骤三，通过中控单元将步骤二获得的数据，构建出自感知充填体材料试块，进行单轴压缩破坏试验，获取试块在单轴压缩破坏过程中电阻率随应力变化关系的数据模型；
[0011]步骤四，现场采用矩形式断面巷道回采第一分层矿体；
[0012]步骤五，待第一分层矿体回采结束后，平整开采完毕后的巷道底部，为后续步骤做准备，同时将石墨粉、尾砂、水泥混合，制备自感知充填体料浆；
[0013]步骤六，在平整完毕的矩形式断面回采巷道中修筑木制挡板，然后在挡板中预埋竖筋和铜栅格网；
[0014]步骤七，将自感知充填体料浆充填至挡板内，待自感知充填体料浆养护成型后并形成整体，拆除周围的木制挡板；
[0015]步骤八，再利用尾砂、水泥，采用现场需求的灰砂比对巷道进行整体式充填，待充填养护时间达到后，开始回采下一分层待采矿体；
[0016]步骤九，下一分层待采矿体回采过程中，逐渐揭露竖筋，采用电阻夹和电阻率导线分别连接竖筋与电阻率测试仪，按照固定时间间隔采集两根竖筋之间的电阻率变化数据，并将采集到的电阻率数据导入中控单元；
[0017]步骤十，通过中控单元将步骤九中采集到的电阻率数据进行数据处理，将处理后的电阻率数据代入步骤三的数据模型中，通过计算机反映出充填体顶板的受力情况，对充填体顶板的稳定性做出判断。
[0018]进一步，所述步骤一中的尾砂胶结充填体的充填质量浓度为68～72％，灰砂比为1:4、1:6、1:8或1:10，石墨粉参量为水泥质量的15％。
[0019]进一步，所述步骤二中的自感知充填体材料试块尺寸为70.7mm
×
70.7mm
×
70.7mm，试块制作完成后，放置养护箱进行养护，养护温度为20
±
2℃，养护的湿度为90
±
3％，养护的时间不少于14天；
[0020]待试块养护完成后，从养护箱中取出自感知充填体材料试块，放置在压力机上进行单轴压缩破坏测试试验，测试并获取自感知充填体材料试块破坏过程中的电阻率、应力随时间变化的数据。
[0021]进一步，所述步骤三中的数据模型是通过将步骤二中所采集到的电阻率、应力随时间变化进行多次拟合获得，具体包括：
[0022]随着自感知充填体材料试块逐渐发生变形至破坏，自感知充填体材料试块内微裂隙不断被压密，应力持续增大，电阻率值不断下降；当自感知充填体材料试块应力持续增大，出现明显裂缝，充填体失去其最大承载能力，电阻率值开始不断上升，电阻率值的上升预示着充填体出现破坏，由此得到基于电阻率变化的充填体失稳破坏判别数据模型。
[0023]进一步，所述步骤四中矩形式巷道断面的断面宽度D分别为5.5m、5m、4.5m、4m、3.5m或3m，断面高度H分别为5m、4.5m、4m、3.5m或3m，断面尺寸宽度及长度均以0.5m为单位设置，且满足宽度D≥高度H，第一分层矿体的回采长度L为0
‑
40m。
[0024]进一步，所述步骤五待第一分层矿体回采结束后，人工平整开采完毕后的巷道底部，巷道底部的平整度
±
0.05m，待巷道平整完毕后，同时将石墨粉、尾砂、水泥混合，其中尾砂和水泥的质量比分别为1:4、1:6、1:8或1:10，石墨粉的参量为水泥质量的15％，料浆整体的质量浓度控制为68～72％。
[0025]进一步，所述步骤六在平整完毕的矩形式断面回采巷道中修筑木制挡板中，两端的木制挡板一断面的长L0＝0.2m，高H0＝0.1H；两侧的木制挡板二的长L1＝5m，高H0＝0.1H，H为矩形式巷道断面的断面高度，待木制挡板一和木制挡板二放置完成后，沿巷道长度L方向每隔5m布置一块铜栅格网，铜栅格网尺寸与木制挡板一断面尺寸一致，同时布置一根长度L2为0.15H的竖筋，竖筋与铜栅格网采用点焊方式紧贴在一起，竖筋上端部与挡板高度H0平行，下端多余长度插入至地面上下一分层待采矿体内。
[0026]进一步，所述步骤七中的自感知充填体料浆充填高度至木制挡板高度H0；
[0027]所述步骤八对回采巷道进行整体式充填中，充填高度至回采巷道断面高度H，充填养护时间为14天；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法，其特征在于，所述用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法通过进路回采结束后，在回采进路中修筑矩形木制挡板，充填尾砂、水泥、石墨粉，形成自感知充填体材料，在自感知充填体材料中插入铜栅格网，待自感知充填体材料成型后，再往回采进路中充填尾砂、水泥，形成和进路一致的尾砂胶结充填体；当回采进路至下一分层时，利用电阻率测试仪监测上一分层自感知充填体材料的电阻率变化情况。2.如权利要求1所述的用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法，其特征在于，所述用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法具体包括：步骤一，根据现场施工工艺确定尾砂胶结充填体的充填质量浓度与灰砂比；步骤二，利用尾砂、水泥、石墨粉，制作自感知充填体材料试块，将试块在实验室进行养护实验，测得自感知充填体材料试块在单轴压缩破坏过程中电阻率、应力随时间变化的数据，并将所得数据输入至中控单元中；步骤三，通过中控单元将步骤二获得的数据，构建出自感知充填体材料试块，进行单轴压缩破坏试验，获取试块在单轴压缩破坏过程中电阻率随应力变化关系的数据模型；步骤四，现场采用矩形式断面巷道回采第一分层矿体；步骤五，待第一分层矿体回采结束后，平整开采完毕后的巷道底部，为后续步骤做准备，同时将石墨粉、尾砂、水泥混合，制备自感知充填体料浆；步骤六，在平整完毕的矩形式断面回采巷道中修筑木制挡板，然后在挡板中预埋竖筋和铜栅格网；步骤七，将自感知充填体料浆充填至挡板内，待自感知充填体料浆养护成型后并形成整体，拆除周围的木制挡板；步骤八，再利用尾砂、水泥，采用现场需求的灰砂比对巷道进行整体式充填，待充填养护时间达到后，开始回采下一分层待采矿体；步骤九，下一分层待采矿体回采过程中，逐渐揭露竖筋，采用电阻夹和电阻率导线分别连接竖筋与电阻率测试仪，按照固定时间间隔采集两根竖筋之间的电阻率变化数据，并将采集到的电阻率数据导入中控单元；步骤十，通过中控单元将步骤九中采集到的电阻率数据进行数据处理，将处理后的电阻率数据代入步骤三的数据模型中，通过计算机反映出充填体顶板的受力情况，对充填体顶板的稳定性做出判断。3.如权利要求2所述的用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法，其特征在于，所述步骤一中的尾砂胶结充填体的充填质量浓度为68～72％，灰砂比为1:4、1:6、1:8或1:10，石墨粉参量为水泥质量的15％；所述步骤二中的自感知充填体材料试块尺寸为70.7mm
×
70.7mm
×
70.7mm，试块制作完成后，放置养护箱进行养护，养护温度为20
±
2℃，养护的湿度为90
±
3％，养护的时间不少于14天；待试块养护完成后，从养护箱中取出自感知充填体材料试块，放置在压力机上进行单轴压缩破坏测试试验，测试并获取自感知充填体材料试块破坏过程中的电阻率、应力随时间变化的数据。4.如权利要求2所述的用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法，其特征在于，所述
步骤三中的数据模型是通过将步骤二中所采集到的电阻率、应力随时间变化进行多次拟合获得，具体包括：随着自感知充填体材料试块逐渐发生变形至破坏，自感知充填体材料试块内微裂隙不断被压密，应力持续增大，电阻率值不断下降；当自感知充填体材料试块应力持续增大，出现明显裂缝，充填体失去其最大承载能力，电阻率值开始不断上升，电阻率值的上升预示着充填体出现破坏，由此得到基于电阻率变化的充填体失稳破坏判别数据模型。5.如权利要求2所述的用于矿山开采的充填体顶板稳定性监测方法，其特征在于，所述步骤四中矩形式巷道断面的断面宽度D分别为5....

【专利技术属性】
技术研发人员：曾鹏，刘宇，赵奎，龚囱，熊良锋，刘周超，梁楠，朱雨贤，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：